重卡离合器分离轴承的接触角设计和测量

黄东勋，罗廷银

重卡离合器分离轴承的接触角设计和测量

黄东勋，罗廷银

（杭州雷迪克节能科技股份有限公司，浙江 杭州 311231）

简要阐述了离合器的功能和分离轴承的重要性，介绍了重型卡车（后简称“重卡”）离合器分离轴承的特点和使用环境，分析了分离轴承的结构和接触角的设计和测量方法。针对公司现有产品试制过程中出现的问题，提出接触角测量装置的设计和使用，根据验证得出重卡分离轴承接触角设计验证的方法，为以后产品设计和规范提供依据，确保产品设计满足使用需求，从而延长重卡离合器的使用寿命。

重卡离合器；分离轴承；接触角；载荷

根据牛钱网的数据，中国重卡市场2019年全年大约实现了117万辆的总销量，比上年同期的114.8万辆小幅增长2%，创造了中国乃至全球重卡市场年销量的新高。随着中国物流的发展，重卡在相当长的时间内应该是中国汽车业发展的中坚力量。

1 离合器分离轴承的特点和使用环境

离合器是重卡中重要的三大系统之一，而离合器分离轴承则是应用于离合器中连接和切断动力输出的关键零件，对整个重卡的动力传递起着决定性的作用。分离轴承相对于整个重卡离合器价值不高，但是其质量决定整个离合器的寿命。重卡载重大，可达上百吨，需要很大的动力输出，传递很大的扭矩，扭矩越大，离合器在传递动力时受到的载荷越大，因此分离轴承承受载荷也相应增大，一般达到10 000 N以上。

一般轴承使用时固定在轴或箱体中，可以尽量地加大尺寸以满足工况所需的大载荷。但是，分离轴承在工作中有一个很大的特点就是位置不固定，其在相对密闭的离合器壳体内往复运动。即便是重型卡车这样大体型的空间，离合器的体积也不会很大。基于空间的限制，分离轴承不能靠增大尺寸来达到增加承载能力的目的。一般需要使用较小的钢球来缩小分离轴承的体积，减小其占用的空间。轴承承载能力最主要的决定因素就是钢球的大小。因为分离轴承使用时承受的是纯轴向载荷，接触角是影响轴承轴向承载能力的重要因素。原则上接触角越大，分离轴承的轴向承载能力越大，离合器工作的刚性和可靠性就越好。因此，需要从结构设计上来增大分离轴承的承载能力，如图1所示。

2 分离轴承的结构

虽然分离轴承的轴向承载能力随着接触角的增大而增大，但是由于轴承内部结构的约束，接触角达到一定程度后不能继续增加。

图1 一个常见的离合器系统

轴承的接触角根据其所处的状态分为原始接触角、安装接触角和工作接触角，原始接触角是产品设计时确定的理论接触角，安装接触角是轴承安装到使用工位后产品的实际接触角，工作接触角是轴承在一定的工况下工作时的实际接触角。因为轴承的工作接触角是根据使用工况发生变化的，承受载荷越大接触角的变化也越大，所以分离轴承的接触角测量和设计同样重要。

目前，行业内对轴承的接触角普遍是通过沟道曲率和径向游隙理论计算得到。也有厂家制作简易设备来测量，但是一般是测量其原始接触角，载荷较小，无法实现对重卡分离轴承这样大载荷的工作接触角的测量。

在工作中设计一个用于奔驰重卡的分离轴承，要求测试的最大轴向载荷为10 000 N，是轴承额定载荷的50%以上（一般轴承的要求在1/3左右）。由于系统结构限制，最大只能设计φ7.938的钢球。所以，需要设计出尽可能大的接触角，以满足承载要求，初始设计原始接触角为35.5°～42.6°。试验阶段，为取得大的承载能力，选用原始接触角为极限上差的产品进行测试，在台架试验进行到2/3要求周期时，试验失败，轴承沟道出现明显的剥落，如图2、图3所示。

图2 外圈

图3 内圈

实物查看，剥落的位置都处于滚道的边缘，钢球出现明显爬坡现象，由此推断接触角大了。

3 接触角的设计和测量方法

结构和尺寸设计是经过专业客户论证过的，应该没有问题。但是，轴承的工作接触角是多少并不知道。因此，需要知道轴承在试验状态下，工作接触角到底是多少。需要设计一套重卡分离轴承在大载荷下工作接触角的测量装置。

重卡分离轴承属于角接触球轴承。角接触球轴承的接触角在内外圈上略微不同，一般是以外圈的接触角为准。但重卡分离轴承以内圈旋转工作，因此，测量内圈的接触角更具实际意义。所以，设计的装置要以内圈接触角测量为准则。

3.1 装置组成

装置组成如图4所示。由垫块、角度刻度盘、指针、辅助轴承及加载机构组成。辅助轴承是保证被测轴承在受到很大的载荷下可以顺畅地旋转；垫块是用来支撑被测轴承的；一个指针固定在内圈的垫块上，以确定内圈转动的角度；另一个指针固定在保持架上以确认钢球转动的角度。垫块、刻度盘、辅助轴承和加载头的中心要在同一轴线上。

图4 装置示意图

3.2 测量方法

按照图4放好被测轴承，先将固定在内圈和保持架上的指针同时对准“0”位，然后用加载装置施加所需载荷，手工扳动压在内圈上的垫块旋转10圈整（3 600°），记录保持架旋转的角度。根据两者的角度和内部尺寸，利用几何关系得出此时的接触角即是该载荷状态下轴承的工作接触角。

3.3 测量原理

式（1）中，为被测轴承的工作接触角；2为被测轴承钢球运行的角度，通过固定在保持架上的指针读出；1为被测轴承内圈旋转的角度，通过固定在内圈上的指针读出；为被测轴承的中心径；为钢球的直径。

3.4 测量分析

针对这款重卡分离轴承，分别选用预紧载荷（200 N）、试验载荷（7 000 N）和最大载荷（10 000 N）对轴承三个状态下的接触角进行测量，并和理论计算对比。测量前，分别测出被测轴承的内部尺寸，然后根据内部尺寸配出不同接触角的5套产品，测得结果如表1所示。

表1 测得结果

编号外圈滚道内圈滚道测量接触角/°理论原始接触角/° 直径曲率直径曲率加载200 N加载7 000 N加载10 000 N 1105.0294.16888.9604.17539.94744.01545.39739.529 2105.0274.17888.9644.16239.33743.73545.66938.991 3105.0084.17588.9864.15335.16240.84641.73034.590 4105.0494.16089.0044.16138.09441.73042.88539.160 5104.9974.14388.9734.11641.63346.12746.66541.291

4 结论

根据测量结果得出，被测轴承受到预紧载荷（200 N）下所测得的接触角和理论原始接触角基本一致。随着载荷的增加，接触角在逐渐地增大，试验载荷下接触角的增加量达到4°以上。反推测试失败的两套轴承，工作接触角都达到48°以上，这样轴承受到大载荷作用下，钢球更接近滚道的边沿，出现钢球爬坡现象，也印证了之前的推测。使用以上测量装置，可以方便地根据不同载荷下测出轴承的工作接触角。对于重卡分离轴承的接触角，只要空间允许，应尽量选取较大的沟深比，适当加大轴承的接触角，提高轴向承载能力、刚性和可靠性。因此，核算并测量工作接触角是非常必要的。

［1］邓四二，贾群义.滚动轴承设计原理［M］.北京：中国标准出版社，2008.

2095－6835（2020）06－0090－02

U463.211

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.033

黄东勋（1977—），男，工学学士，中级工程师，主要从事动力传动产品的研发和制造方面的工作。

〔编辑：辛霞〕